自然伽馬測井在水文地質孔填礫中的應用

王新杰， 王 昀, 郝文杰， 呂中虎

(1.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，保定 071051;2.河北農業大學 信息科學與技術學院，保定 071001)

0 引言

水文地質孔井管排放有井壁管、濾水管、沉淀管，井管和裸眼井壁之間留有一定的環空用于填充礫料。特別是在孔深大于200 m，需要在同一井孔內多層止水填礫，由于井深大、井孔偏斜、井孔縮徑等原因，造成無法用測繩測量礫料回填高度，最終導致成井失敗；自然伽馬測井通過在井管內測量解決了這一難題。自然伽馬測井的優點是在裸眼井、套管井和在高礦化度鉆井液以及干孔中進行測量[1-6]。但放射性測井曲線讀數的變化一方面是由地層性質變化引起的，另一方面是由放射性漲落引起的。只有正確地把由漲落誤差引起的讀數變化與地層性質引起的變化區分開，才能對放射性測井曲線進行正確的地質解釋[1]。

井管、鉆井液所具有的放射性通常比地層低，同時又能吸收來自地層的伽馬射線，所以這些井內介質一般來說會使自然伽馬測井讀數降低。但礫料的放射性強度往往高于井液的放射性強度，由于這兩種不同物質的放射性強度存在差異，自然伽馬測井確定礫料位置才得以實現。

1 自然伽馬測井原理及工作方法

1.1 自然伽馬測井原理

自然伽馬測井的測量裝置由井下儀器和地面儀器組成，井下儀器有探測器、放大器和高壓電源等部分。自然伽馬射線由巖層穿過鉆井液、儀器外殼進入探測器，探測器將伽馬射線轉化為電脈沖信號，經放大器把電脈沖放大后由電纜送到地面儀器進行記錄[1-2]。

井軸上任意一點P處的r強度的計算公式：

圖1 HQ26孔自然伽馬曲線對比圖Fig.1 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ26 hole

式中： dJ為體積元dV在P點所產生的放射性強度；V為井深以外的整個放射性地層；K為r系數；ρ為地層密度；Q為放射性物質含量；μ為地層和井內介質對光子的吸收系數；R為P點到體積元dV的距離[3]。

1.2 工作方法

測井儀器設備連接暢通，探管的記錄點和井深的起算零米點對齊，下放到需要測量礫料位置以下，提升探管開始測量，記錄回程差[7]。

2 自然伽馬曲線對比方法

2.1 自然伽馬數據預處理

測井數據處理解釋軟件為北京中地英捷物探儀器研究所ZDWT固體礦產測井數據處理解釋系統V1.0。首先對原始測量數據采用0.02截頻低通濾波方法濾除干擾噪聲，以提高測量精度，再對濾波后的測量數據進行歸一化處理。

2.2 自然伽馬曲線對比

將填礫后測量的兩條或多條伽馬曲線進行對比，采用同一比例尺且橫向比例尺最大刻度值相同。

3 應用實例

水文地質調查的鉆孔直徑為550 mm～600 mm，成井采用外徑為325 mm、壁厚為6.5 mm的鐵管。由于井管、井液的屏蔽和吸收作用，所以在井管中測量的伽馬值會降低，伽馬值是裸孔伽馬值的50%～70%左右，但曲線形態和裸眼孔中的自然伽馬曲線形態基本一致。

3.1 裸孔和填礫后的伽馬曲線對比

曲線圖對比前，為了確定圖1中紅、藍曲線的橫向比例尺的刻度，進行了相同井段的裸孔伽馬數值和井管內沒填礫料伽馬數值的對比，結果是井管中的伽馬數值的平均值大約是裸孔中伽馬數值平均值的50%，據此確定了藍色伽馬曲線的最大橫向刻度值取紅色伽馬曲線最大橫向刻度值的50%，用此橫向刻度值進行曲線對比，目的是使井管中測量的沒填礫料井段的伽馬曲線和裸孔中相同井段的伽馬曲線基本重合，以確定填礫井段。

在圖1中紅色伽馬曲線是裸孔中測量的，藍色伽馬曲線是填礫到183.2 m時在井管中測量的。183.2 m以上兩條伽馬曲線形態基本一致，藍色和紅色的伽馬曲線交織在一起或略有偏移。填礫的井段由于礫料和井液存在放射性強度差異，礫料的放射性強度大于井液的放射性強度，所以在圖1中183.2 m以下相同井段填礫后的伽馬數值比沒填礫料時的伽馬數值向右偏移，造成填礫井段伽馬曲線的幅值相對沒填礫料時增高，曲線偏移段為新填礫料段。圖2中AB線為此段裸孔的伽馬數值的平均值，平均值為0.51；ab線為填礫后的伽馬數值的平均值，平均值為0.74，填礫后放射性強度增大45%。

3.2 填礫后的伽馬曲線對比

井段的巖性及其放射性見表1。在圖3中紅色伽馬曲線是填礫到169.45 m時測量曲線，藍色伽馬曲線是填礫到152.45 m時測量曲線。把兩次測量結果放在同一比例尺下，可以看到169.45 m以下，藍色曲線伽馬值略高于紅色曲線伽馬值，推斷為在測量紅色伽馬曲線前因為井液經過充分循環，井液循環和地層水的流動帶走部分沉淀在礫料空隙間的石粉顆粒、泥質顆粒，一般粘土和泥質顆粒組分含U、T、K放射性核素，伽馬值大，由于石粉顆粒、泥質顆粒被帶走，所以測量的紅色曲線的伽馬值較低；而測量藍色伽馬曲線前新回填了礫料，井液未循環，

表1 井中的巖性及其放射性和礫料的放射性

圖2 HQ26孔自然伽馬曲線對比圖Fig.2 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ26 hole

圖3 HQ26孔自然伽馬曲線對比圖Fig.3 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ26 hole

造成填礫過程中攜帶的石粉顆粒、泥質顆粒在井液中懸浮或沉淀，還有部分顆粒在早先回填的礫料空隙間沉淀，這時所測藍色曲線的伽馬值略高。 152.45 m～169.45 m段，紅色伽馬曲線為沒填礫料時測量曲線，藍色伽馬曲線為新填礫料后測量曲線，由于礫料和井液放射性強度差異，造成紅色和藍色伽馬曲線分離，藍色伽馬曲線數值增大向右偏移，曲線偏移段為新填礫料厚度。152.45 m以上是沒填礫料井段，紅藍兩條伽馬曲線基本重合。圖4中EF線為沒有回填礫料的伽馬數值的平均值，平均值為0.37;ef線為填礫后的伽馬數值的平均值，平均值為0.60，兩平均值的差值為0.23，填礫料后放射性強度增加62.16%。

圖4 HQ26孔自然伽馬曲線對比圖Fig.4 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ26 hole

圖5 HQ57孔自然伽馬曲線對比圖Fig.5 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ57 hole

3.3 利用伽馬測井曲線判斷礫料“懸空”現象

表2是井段的巖性及其放射性和礫料的放射性。在圖5、圖6中,紅色曲線是裸孔中測量的伽馬曲線；藍色曲線是填礫距井口30 m處第一次測量的伽馬曲線；綠色曲線是第2次測量的伽馬曲線，其唯一不同的是測量前井液經過循環和提桶。將以上三條伽馬曲線顯示在如圖5的比例尺下。

在圖5中，藍色和紅色兩條曲線比較，A段和B段藍色曲線遠低于紅色曲線，判斷此段礫料懸空(無礫料填充)，此段地層巖性為粘土質粉砂，其自然伽馬背景值高，假如此處縮徑，地層緊貼井管壁，藍色曲線和紅色曲線的形態應基本一致，幅度值都應為高異常，但此段藍色曲線相對紅色曲線反向偏移且偏移量大，說明此段井液占據主要空間，所以判斷此段為礫料懸空；C段、D段、E段同樣判斷為礫料懸空段。

在圖5中，綠線和紅線、藍線比較，井液經過循環和提桶后，理論上礫料位置應有變化，綠色測井曲線也應有相應變化。F段包含A段相對藍色曲線幅值有增高，但效果差判斷為礫料懸空；B段經過處理后有礫料填充，但此段厚度薄幅值低，G段判斷為B懸空段的下移；C段經過處理后有礫料填充；H段判斷為礫料懸空，D段基本在H段內，伽馬值有所提高，但效果差；I段包含E段仍然為礫料懸空段；J段判斷為礫料懸空，比此段的紅色和藍色伽馬曲線幅值低。

圖6 HQ57孔自然伽馬曲線對比圖Fig.6 The natural Gamma curve contrast diagram of HQ57 hole

層底深度/m巖性自然伽馬/CPS層底深度/m巖性自然伽馬/CPS74.0～75.2細砂64～6979.82粘土質粉砂92～9576.75粘土質粉砂90～9680.4細砂71～7778.35細砂67～73礫料65～8079.12粉砂80～85

4 數據分析

在實際測量時，由于井液、套管及巖層的吸收，在遠離探測器處巖層放射出的伽馬射線往往到達不了探測器，所以儀器的測值主要反應出井下儀器附近某一范圍內的伽馬射線。一般來說伽馬測井的有效探測半徑大約為30 cm～45 cm[3]。

以圖3為例，HQ26孔的終孔直徑550 mm，成井采用外徑325 mm、壁厚6.5 mm的鐵管，鐵管外的環空中充滿井液，在此環空中回填礫料。圖3是在同一井管的相同井段測量的兩條伽馬曲線。152.45 m至169.45 m井段，紅色伽馬曲線的測量介質由近到遠分別為鉆井液、井管、鉆井液、地層；藍色伽馬曲線是在此段回填礫料后測量的，所以它的測量介質由近到遠分別為鉆井液、井管、礫料加鉆井液、地層。伽馬探測器所測量到的伽馬射線主要是以探測器中點為球心的球體內物質放射的伽馬射線。藍色伽馬曲線和紅色伽馬曲線的分離，主要是由于測量藍色伽馬曲線時,伽馬探測器探測范圍內的介質的放射性強度變化所引起，也就是井管外的井液中添加了礫料，地層無變化。由于礫料的放射性強度高于井液的放射性強度，使得填礫后測量的藍色伽馬曲線值高于沒回填礫料的紅色伽馬曲線值。利用伽馬曲線對比確定礫料位置的關鍵因素,是礫料和鉆井液的放射性強度存在差異，一般礫料的放射性強度高于井液的放射性強度，其放射性強度差異越大對比效果越明顯，反之不明顯。

5 結論

自然伽馬測井曲線對比確定填礫位置和發現礫料“懸空”現象，在水文地質調查中得到了應用和實踐，取得了一定成果。此方法的不足之處還需要研究與討論。

1)不能對濾料和止水黏土球加以區分，因為濾料填充在濾水管處，而黏土球填充在井壁管處，井壁管比濾水管對伽馬射線的屏蔽吸收能力強，造成在井管內測量兩種不同性質礫料時伽馬數值變化不明顯，兩者難以區分。

2)每次測量的回填厚度不宜太小，否則由于放射性漲落的存在界面不宜確定。